二维层状材料α--In2Se3铁电性及铁电器件应用的研究

摘要

室温超薄铁电体是制备大容量非易失性存储器的关键材料。在过去的几十年，以钙钛矿结构复杂氧化物为代表的传统铁电薄膜被广泛研究。然而，受限于潜在的临界尺寸效应，即在其厚度减薄的过程中铁电性会出现减弱甚至消失的现象，发展基于传统铁电体的纳米电子学器件遇到了极大的挑战。二维范德华尔斯材料得益于天然稳定的层状结构、表面饱和的化学特性以及层间微弱的相互作用，为在原子尺度极限厚度下实现二维铁电性提供了优良的材料基础，也为下一代多功能器件的发展提供了研究平台。目前，面内方向的二维铁电极化已在单胞厚度的SnTe晶体中实现[1]，而在二维材料CuInP2S6中发现的更具应用价值的室温面外铁电性只能维持在4个纳米以上[2]。α-In2Se3是一种层状半导体材料，具有优异的光电特性而被广泛关注，此外其独特的面内-面外铁电耦合有可能实现单层极限下面外铁电有序[3]。可以预见，层状二维铁电材料将为未来纳米电子学器件的进一步微型化和柔性化提供新的机遇和可能。 本论文主要致力于α-In2Se3铁电性相关的研究，论文的内容包括: 第一章我们将首先回顾传统铁电研究的相关背景，其次介绍二维铁电体的研究进展及铁电体在电子器件的应用，最后简要展望二维铁电的发展。 第二章相关的实验方案及技术介绍。第一部分是介绍压电力显微镜(PFM)的工作原理与数据误差分析;第二部分为样品的制备与表征手段;第三部分是电极的制备技术与操作注意事项。 第三章α-In2Se3的室温面外铁电性的实验探索及研究。基于PFM，我们验证了α-In2Se3薄层中具有稳定的铁电畴结构，人为写入/读出铁电畴的操作和单点极化测试也验证了铁电极化的可控反转。另外，通过统计对比样品厚度与压电响应信号强度，我们发现两者没有明显的关联。最后，我们展示了在α-In2Se3薄层中观测到的铁电条纹畴结构。 第四章我们制备了α-In2Se3薄层铁电电容器，器件表现出二级管的整流效应，并且整流方向可以通过切换极化方向来改变。 第五章基于α-In2Se3的面外铁电性，我们设计和制备了铁电栅场效应晶体管，验证了铁电畴的非易失性，演示了基于层状铁电材料的原型铁电存储器件。 第六章我们总结了论文实验部分的研究成果。

目录

声明

摘要

1第一章绪论

1．1引言

1．2铁电物理背景

1．2．1 铁电体结构及特性

1．2．2 铁电相变微观理论

1．2．3 铁电体临界尺寸效应

1．3层状材料铁电性

1．3．1 二维铁电性研究进展

1．3．2 二维α-In2Se3中的室温铁电性

1．4铁电器件的应用

1．4．1 铁电二极管

1．4．2 铁电隧道结

1．4．3 铁电电容器

1．4．4 铁电栅场效应晶体管

1．5总结

2第二章实验方案

2．1压电力显微镜

2．1．1 压电效应

2．1．2 铁电畴

2．1．3 压电力显微镜工作原理

2．1．4 系统固有背景信号

2．1．5 非压电信号

2．2样品的制备与表征

2．3电极制备流程及设备介绍

2．3．1 电极制备流程

2．3．2 设备介绍

3第三章α-In2Se3的铁电性证明

3．1前言

3．2样品制备与表征

3．3 PFM测试结果与分析

3．3．1 薄膜铁电性

3．3．2 铁电极化对α-In2Se3厚度的依赖性

3．3．3 α-In2Se3薄层中的条纹域结构

3．4小结

4第四章α-In2Se3铁电二极管

4．1前言

4．2器件制备及样品表征

4．3铁电二极管

4．3．1 金属／α-In2Se3／石墨烯铁电二极管

4．3．2 FLG／α-In2Se3／石墨烯铁电二极管

4．4小结

5第五章α-In2Se3铁电栅场效应晶体管

5．1前言

5．2异质结制备与表征

5．3实验结果与分析

5．4小结

6第六章论文总结

参考文献

在读期间已发表的学术论文与参加的学术会议

致谢

附录